典型電鍍城周邊土壤重金屬的污染特征研究

梁秀娟，謝潤楠，羅藝豐，王志行，韋柳鑫

(廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，廣東 廣州 510670)

隨著城市工業(yè)化的快速發(fā)展，作為重要的工業(yè)配套電鍍產(chǎn)業(yè)也得到發(fā)展壯大，為我國經(jīng)濟騰飛做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)[1-2]。但由于當(dāng)前電鍍產(chǎn)業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、布局不集中、企業(yè)偷排漏排嚴(yán)重、監(jiān)管困難等原因，已造成我國多處電鍍城污染狀況嚴(yán)重[3-4]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，僅以北京市為例子，每年向環(huán)境排放約450萬噸含重金屬的生產(chǎn)廢水，約1千噸的固體廢物和危險廢物，約5億立方米的酸性氣體[5]。由于重金屬具有高毒性、持久性、不可降解性、隱蔽性、易被富集等特點[6]，在環(huán)境中不斷遷移、不斷轉(zhuǎn)化，最終進入并沉積于土壤、地下水等環(huán)境介質(zhì)中[7-8]，時刻危害著生態(tài)環(huán)境和人類健康[9-10]。因此，開展電鍍企業(yè)周邊土壤重金屬污染狀況分析具有重要的環(huán)境意義。

廣東省是我國電鍍生產(chǎn)最活躍的省份之一[11]。本文以珠三角地區(qū)典型的3家電鍍城為研究對象，對電鍍城周邊土壤重金屬的含量、空間分布和生態(tài)風(fēng)險進行評價，以其為珠三角地區(qū)土壤的環(huán)境風(fēng)險管理和重金屬污染防治提供基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)。

1 實 驗

1.1 樣品采集

選擇珠三角某地區(qū)HS、TS、SS電鍍城，以電鍍城為中心，在其企業(yè)周邊分別布置8個采樣點，采集表層(0～20 cm)和淺層(20～40 cm)的土壤樣品，采用十字交叉法，多點取樣，均勻混合，取樣量為1000 g樣品，裝入一次性聚乙烯密封袋，把袋內(nèi)空氣擠出后封鎖密封條，常溫保存。共采集48個土壤樣品(表層、淺層樣品各24個)。3家電鍍城的位置見圖1。

圖1 3家電鍍城的位置圖

1.2 樣品前處理及分析方法

根據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166-2004)要求，土壤樣品采集后，放置于風(fēng)干室中，適時地壓碎、翻動，取出土壤中碎石、砂礫植物殘體，直至自然風(fēng)干恒重；然后將風(fēng)干后的土壤樣品研磨到過孔徑0.15 mm(100目)篩后，封存于一次性聚乙烯密封袋里備用。

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)田地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2018)的要求，Hg、As參照《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》(HJ 680-2013)進行檢測，Cd參照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141-1997)進行檢測，Pb、Cr、Ni、Cu、Zn參照《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491-2019)進行檢測。

1.3 評價方法

采用Hakanson提出的生態(tài)危害指數(shù)法[12]對土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險進行評價，該法不僅可以評價某種重金屬的生態(tài)風(fēng)險，而且也可以綜合評價多種重金屬的生態(tài)風(fēng)險，采用具有可比的、等價屬性的指數(shù)分級進行評價[12]。其生態(tài)危害系數(shù)和生態(tài)危害指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)列于表2。計算公式為：

表2 土壤重金屬濃度描述性統(tǒng)計

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Ei為重金屬i的潛在生態(tài)系數(shù)；Ti為重金屬i的毒性系數(shù)(Hg=40，Cd=30，As=10，Pb=Cu=Ni=5，Cr=2，Zn=1)[13]；Ci為重金屬i的含量(mg·kg-1)；C0為重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg·kg-1)，采用廣東省土壤中重金屬元素背景值[14]；RI為多個重金屬的潛在綜合風(fēng)險指數(shù)。

表1 Ei和RI分級標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理

數(shù)據(jù)分析處理及制作圖表使用Microsoft Office Excel 2013、SPSS 25.0和Origin 8.0軟件進行，描述性統(tǒng)計分析、Peason相關(guān)性分析及制作圖表使用SPSS 25.0軟件，地理位置圖使用ArcGIS 10.1軟件完成制作。

2 結(jié)果與討論

圖2結(jié)果所示，與淺層土壤相比較，除了Hg、As外，表層重金屬元素Pb、Cr、Cd、Ni、Cu和Zn的平均含量均高于淺層土壤。圖2和表2所示，土壤表層Hg、Pb、Cr、Cd、As、Ni、Cu、Zn的平均含量分別是廣東省土壤背景值的3.23、0.92、1.45、3.97、1.33、1.90、2.49、2.46倍，表明重金屬元素主要富集于土壤表層，總體表現(xiàn)為以Hg、Cd為主的重金屬富集，這結(jié)果可能由于長期工業(yè)活動的影響；從重金屬含量的最大值來看，Hg、Pb、Cr、Cd、As和Cu的最大值均出現(xiàn)在土壤表層，而Ni和Zn的最大值出現(xiàn)在土壤淺層，進一步說明了土壤表層重金屬污染較為明顯。觀察各重金屬元素的極大值與極小值發(fā)現(xiàn)，土壤表層和淺層重金屬元素含量變化都比較明顯，各重金屬元素極差較大。

圖2 土壤重金屬濃度

變異系數(shù)的大小可以反映土壤樣品中各采樣點平均變異程度[15]。由表2可知，表層土壤中重金屬元素變異系數(shù)大小順序為：Hg>Zn>Cd>Cu>Ni>Pb>As>Cr，淺層土壤中重金屬元素變異系數(shù)大小順序為：Hg>Zn>Cd>Cu>Ni>As>Pb>Cr，表層和淺層土壤中Cr、Pb及As的變異系數(shù)相對較小，均小于25%，屬于弱變異性，表明這三種元素受外界影響狀況基本一致，空間分布差異小，反映這三種元素污染程度相對較輕。研究區(qū)表層和淺層土壤Cd、Cu、Ni及Zn的變異系數(shù)相對較大，為25%～50%，屬于中等變異性，表明外界因素對于這四種重金屬元素的累積有一定影響，其空間分布有一定差異性。研究區(qū)表層和淺層土壤Hg的變異系數(shù)最大，其值大于50%，屬于強變異性，表明Hg受某些局部污染較為明顯，空間分布差異最大，表示受某些區(qū)域的人類活動干擾強烈[15]。偏度是指描述數(shù)據(jù)分布情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，峰度是指描述全部數(shù)據(jù)中取值分布情況陡斜程度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[15]，從表2可以看出，無論是表層土壤還是淺層土壤，Cd、Ni、Zn元素均呈現(xiàn)出較高的正偏度和峰度，進一步表明Cd、Ni、Zn元素受外界活動影響比較嚴(yán)重。

從圖3可知，研究區(qū)重金屬元素中Hg、Cd、Cu的Ei值顯然高于其它5種重金屬元素，其Ei值處于40與320之間，均呈現(xiàn)出明顯的空間變化，差異性較強。此外，其它5種重金屬元素Pb、Cr、As、Ni、Zn的Ei值均小于40。根據(jù)各重金屬元素Ei平均值大小可知，得到Ei值大小順序為：Cd>Hg>Cu>As>Ni>Zn>Pb>Cr，其中Cd、Hg的Ei值最大，達(dá)到了強風(fēng)險生態(tài)等級，其次Cu也達(dá)到了中等風(fēng)險生態(tài)等級，其余重金屬元素則均屬于輕微風(fēng)險生態(tài)等級。

圖3 土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)

從圖4可知，SS電鍍城的S1～S6監(jiān)測點以及H2、H7、T4、T7、H5、T3、H1、H3監(jiān)測點的RI值均介于300～600之間，屬于強風(fēng)險生態(tài)等級，而其余的監(jiān)測點均屬于中等風(fēng)險生態(tài)等級。由此可知，研究區(qū)重金屬元素生態(tài)風(fēng)險最高的是SS電鍍城，其次是HS電鍍城，再次是TS電鍍城。從上述3家電鍍城中8種重金屬元素的Ei和RI結(jié)果表明，研究區(qū)重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險主要受制于Hg、Cd、Cu，其原因由于Hg、Cd、Cu本身質(zhì)量濃度相對較高，部分監(jiān)測點的濃度甚至超過廣東省土壤背景值濃度；其二也與它們本身具有較大的生態(tài)毒性系數(shù)有關(guān)。這個結(jié)果與之前的學(xué)者對各自研究區(qū)重金屬元素生態(tài)風(fēng)險的結(jié)論較為類似16-17]。

圖4 3家電鍍城中土壤重金屬的潛在綜合生態(tài)風(fēng)險

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的電鍍行業(yè)導(dǎo)致土壤重金屬污染，本文主要對珠三角地區(qū)HS、TS、SS電鍍城企業(yè)周邊土壤中8種重金屬元素的污染特征及其分布情況進行分析，并對其潛在生態(tài)風(fēng)險進行評價。主要結(jié)論如下：

電鍍城重金屬元素主要富集在土壤表層，總體表現(xiàn)為以Hg、Cd為主的重金屬富集。在空間分布上，Hg的變異系數(shù)最大，其值大于50%，屬于強變異性，空間差異最大；其次Cd、Ni、Cu、Zn屬于中等變異性，Cr、Pb、As屬于弱變異性。

根據(jù)潛在生態(tài)風(fēng)險評價得出，Cd、Hg的Ei值最大，達(dá)到了強風(fēng)險生態(tài)等級，其次Cu也達(dá)到了中等風(fēng)險生態(tài)等級，其余重金屬元素則均屬于輕微風(fēng)險生態(tài)等級。根據(jù)潛在綜合生態(tài)風(fēng)險評價得出，研究區(qū)重金屬元素生態(tài)風(fēng)險最高的是SS電鍍城，其次是HS電鍍城，再次是TS電鍍城。總體來說，研究區(qū)重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險主要受制于Hg、Cd、Cu。